楊仲 黃剛 肖帥 宋東東 殷田甜
安徽美芝制冷設(shè)備有限公司 安徽合肥 230031
壓縮機(jī)在承受載荷時(shí)會(huì)發(fā)生微小變形,變形的大小將直接影響零部件之間的裝配以及余隙容積等,因此準(zhǔn)確測試結(jié)構(gòu)的變形對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證至關(guān)重要。測試與分析結(jié)構(gòu)微變形的方法有很多種[1-8],最傳統(tǒng)最常用的是千分表(如圖1所示)測試,通過機(jī)械探針接觸被測物體表面,讀取表盤的指針獲得結(jié)構(gòu)的變形量,該方法的精度可以達(dá)到1 um,但是千分表在使用過程中存在一些缺陷:首先,探針必須與被測物體接觸,而對(duì)某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待測表面,不太容易將探針伸進(jìn)去;其次,千分表是靠人工讀數(shù),當(dāng)結(jié)構(gòu)變形比較快時(shí)(如振動(dòng)),人工讀數(shù)是很難實(shí)現(xiàn)的。因此,在這樣的背景下,需要開發(fā)新的測試方法來解決這些問題。
本文應(yīng)用激光位移傳感器(如圖2所示)開發(fā)一套位移測試系統(tǒng),該系統(tǒng)很好地解決了千分表存在的缺陷,實(shí)現(xiàn)了非接觸式快速測試,同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡和軟件系統(tǒng)可以快速記錄測試數(shù)據(jù),并且在軟件里面快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,提取有價(jià)值的信息。
圖1 千分表(指針式、數(shù)字式)
圖2 激光位移傳感器
圖3為測試系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)主要包括激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、定制化測試軟件幾個(gè)部分。圖4為測試裝置實(shí)物圖,激光位移傳感器集成了激光的發(fā)射與接受裝置:探頭首先發(fā)出激光束,打在被測試結(jié)構(gòu)表面,被測試表面反射回激光束,傳感器接受裝置測試反射回的激光,通過內(nèi)部信號(hào)處理器計(jì)算出傳感器和被測物體之間的距離,通過自身顯示屏顯示距離數(shù)值并且輸出等比例的模擬電壓,精度達(dá)到1 um,最高響應(yīng)頻率為10 kHz,可滿足結(jié)構(gòu)微變形與振動(dòng)的高精度測試需求。模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡的作用是將傳感器的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),傳輸給計(jì)算機(jī)。定制化測試軟件主要是獲取數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字信號(hào),并進(jìn)行信號(hào)處理,如傅里葉變換等頻率分析功能,本文的測試軟件(如圖5所示)采用LabVIEW環(huán)境開發(fā)。
圖3 測試系統(tǒng)原理示意圖
本文采用該測試系統(tǒng)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)變形與吸氣閥片的固有頻率進(jìn)行測試驗(yàn)證,同時(shí)與千分表和有限元仿真結(jié)果對(duì)比,激光傳感器測試結(jié)果與千分表測試結(jié)果以及理論分析結(jié)果基本一致。
圖5 測試系統(tǒng)軟件界面
往復(fù)式壓縮機(jī)在壓縮氣體的時(shí)候,氣體分別給活塞以及閥組一對(duì)反作用力,如圖6所示,在氣體力的作用下,閥組連同氣缸蓋將會(huì)向遠(yuǎn)離曲軸的方向發(fā)生微小位移,而活塞將會(huì)推動(dòng)連桿向靠近曲軸的方向位移,兩者之差會(huì)在氣缸內(nèi)部產(chǎn)生余隙容積,從而降低壓縮機(jī)的制冷量。因此,在壓縮機(jī)開發(fā)測試過程中,需要準(zhǔn)確測試缸蓋與連桿大頭在氣體力下的位移量,盡量優(yōu)化結(jié)構(gòu),減小這兩處變形。
圖6 施加在活塞和閥組上的氣體壓力
針對(duì)某一款往復(fù)式壓縮機(jī),取出機(jī)芯結(jié)構(gòu)并固定在臺(tái)鉗上,連接排氣管與高壓氣瓶,將激光傳感器安裝在三軸升降臺(tái)上,通過升降臺(tái)微調(diào)使得激光測試點(diǎn)準(zhǔn)確打到待測點(diǎn)上,注意測試過程中不能遮擋激光光線,連接激光傳感器信號(hào)端到數(shù)據(jù)采集卡,再將數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦USB口,實(shí)現(xiàn)軟件硬件的數(shù)據(jù)通信。實(shí)驗(yàn)測試過程中,將排氣管逐漸充入3 MPa壓強(qiáng)的氣體,采用激光測試系統(tǒng)、千分表、有限元三種方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖7為激光傳感器測試系統(tǒng),圖8為應(yīng)用CAE軟件分析得到的曲軸箱變形云圖,圖9給出了三種方法測試結(jié)果的對(duì)比曲線。以千分表數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),激光法與千分表測試結(jié)果基本一致,偏差在5%以內(nèi),有限元理論分析得到的數(shù)據(jù)作為間接驗(yàn)證,與激光法和千分表法得到的數(shù)據(jù)偏差在10%左右。通過三種方法的對(duì)比,驗(yàn)證了激光位移傳感器測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
圖7 激光位移傳感器測試氣缸蓋軸向位移
圖8 有限元分析氣體力作用下結(jié)構(gòu)軸向位移
圖9 激光法、千分表、CAE三種方法測試數(shù)據(jù)對(duì)比
圖10 激光位移傳感器測試吸氣閥片振動(dòng)
圖11 吸氣閥片振動(dòng)位移信號(hào)及其頻域分析程序界面
圖12 有限元分析吸氣閥片的基頻與對(duì)應(yīng)的模態(tài)
往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中,其吸氣閥片不斷的開啟與閉合,頻率與曲軸旋轉(zhuǎn)頻率一致。為了使得閥片有好的跟隨性,同時(shí)避免引起共振,閥片一階固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。因此在閥片設(shè)計(jì)過程中,需要分析測試閥片的一階固有頻率,本文通過激光位移傳感器進(jìn)行振動(dòng)測試,同時(shí)用有限元方法進(jìn)行模態(tài)分析,將兩者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖10為激光傳感器測試閥片振動(dòng)裝置,去掉壓縮機(jī)上其他多余的零件,只把閥片固定在機(jī)架上,激光探頭打在閥片中心,人為撥動(dòng)閥片產(chǎn)生自由振動(dòng),通過激光測試系統(tǒng)獲取振動(dòng)的位移信號(hào)(如圖11所示),再通過軟件分析得到其頻率,測試結(jié)果顯示該型號(hào)閥片基頻為168.9 Hz,有限元分析為162.8 Hz(對(duì)應(yīng)的模態(tài)如圖12所示),兩者基本一致(千分表無法測量振動(dòng))。分別對(duì)不同厚度的閥片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試與理論分析,得到的數(shù)據(jù)如表1所示,激光測試與有限元分析偏差小于4%,從而驗(yàn)證了激光傳感器應(yīng)用在壓縮機(jī)振動(dòng)測試中的準(zhǔn)確性與可行性。
表1 激光法與有限元法對(duì)比測試不同厚度閥片基頻
本文主要建立了一套激光位移傳感器測試系統(tǒng),并且應(yīng)用在往復(fù)式壓縮機(jī)的變形與振動(dòng)測試中,通過與千分表和有限元結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了激光位移傳感器測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。對(duì)比千分表等傳統(tǒng)測試手段,激光位移測試系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢,如非接觸式、高精度(1 um)、可測試動(dòng)態(tài)過程(振動(dòng))、可使用軟件實(shí)時(shí)記錄并分析數(shù)據(jù)等。而且,對(duì)比其他非接觸式測試方法,該系統(tǒng)成本很低。因此,在冰箱壓縮機(jī)開發(fā)與測試中應(yīng)用本文的激光位移傳感測試系統(tǒng)是可行的。